第二章流体输送机械分解

第2章流体输送机械概述流体从低处→高处；低压处→高压处；所在地→较远处；需要对流体做功，增加流体的机械能。流体输送设备（通用机械）：液体输送设备——泵；气体输送设备——通风机、鼓风机、压缩机或真空泵。作用：向系统输入能量，补充所需机械能；用于流体的输送或加压。2.1离心泵2.1.1离心泵的工作原理和主要部件(1)工作原理(a)排出阶段叶轮旋转(产生离心力，使液体获得能量）→流体流入泵壳(动能→静压能)→流向输出管路。(b)吸入阶段液体自叶轮中心甩向外缘→叶轮中心形成低压区→贮槽液面与泵入口形成压差→液体吸入泵内。气缚现象：泵内未充满液体，气体密度低，产生离心力小，在叶轮中心形成的低压不足以将液体吸上。说明：离心泵无自吸能力，启动前须将泵体内充满液体。(2)离心泵的主要部件①叶轮叶轮:作用是将原动机的机械能传给液体，使液体的静压能和动能都有所提高。（1）开式叶轮：叶轮两侧都没有盖板，制造简单，效率较低。它适用于输送含杂质较多的液体。（2）半闭式叶轮：叶轮吸入口一侧没有前盖板，而另一侧有后盖板，它适用于输送含固体颗粒和杂质的液体。（3）闭式叶轮：闭式叶轮叶片两侧都有盖板，这种叶轮效率较高，应用最广。闭式或半开式叶轮的后盖板与泵壳之间的缝隙内，液体的压力较入口侧为高，这使叶轮遭受到向入口端推移的轴向推力。可在后盖板上钻几个小孔，称为平衡孔平衡孔作用：消除轴向推动力。（泵的效率有所下降）②泵壳：泵壳的作用：（1）汇集液体；（2）使部分动能有效地转化为静压能。动能→静压能。③轴封装置轴封装置的作用：避免泵内高压液体沿间隙漏出，或防止外界空气从相反方向进入泵内。离心泵的轴封装置有填料密封和机械密封。机械密封的效果好于填料密封。2.1.2离心泵的基本方程式（不讲）2.1.3离心泵的性能参数与特性曲线1、离心泵的主要性能参数（1）流量Q，（又称送液能力）指单位时间内泵所输送的液体体积。单位为Ｌ/ｓ或m3/ｈ。流量的大小与叶轮尺寸、转速、管路特性有关。（2）扬程（压头）H泵的扬程（又称泵的压头）是指单位重量液体流经泵后所获得的能量。单位为米液柱。离心泵压头的大小，取决于泵的结构（如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等）、转速及流量。fHguugppzzH2)(21221212012hzzgpphH120泵的压头可用实验方法测定，如图所示。在泵的进出口处分别安装真空表和压力表，在真空表与压力表之间列柏努得方程式。（3）效率泵的效率就是反映能量损失的大小。能量损失的原因①容积损失：泵的泄漏造成的。容积效率η1。②水力损失：由于流体流过叶轮、泵壳时产生的能量损失。水力效率η2。③机械损失：泵在运转时，在轴承、轴封装置等机械部件接触处由于机械磨擦而消耗部分能量，机械效率η3。泵的总效率η（又称效率）η＝η1×η2×η3对离心泵来说，一般0.6~0.85左右，大型泵可达0.90。（4）轴功率离心泵的轴功率是指泵轴所需的功率。当泵直接由电动机带动时，它即是电机传给泵轴的功率，以N表示，其单位为W或KW。泵的有效功率可写成gQHNeeNN由于有容积损失、水力损失与机械损失，所以泵的轴功率N要大于液体实际得到的有效功率，即泵在运转时可能发生超负荷，所配电动机的功率应比泵的轴功率大。在机电产品样本中所列出的泵的轴功率，除非特殊说明以外，均系指输送清水时的数值。例２-１某离心泵以20℃水进行性能实验,测得体积流量为720m3/h，泵出口压力表数为3.82kgf/cm2，吸入口真空表读数为210mmHg，压力表和真空表间垂直距离为410mm，吸入管和压出管内径分别为350mm及300mm。试求泵的压头。（能量损失可以忽略）2离心泵的特性曲线一、离心泵的特征曲线（1）H--Q曲线（2）N--Q（3）η--QQ↑,H↓Q↑,N↑Q=0,η=0注意：特性曲线是在一定转速下测定。最高效率点称为设计点。离心泵的铭牌上标出的性能参数就是指该泵在运行时效率最高点的性能参数。启动离心泵时，为了减小启动功率，应将出口阀关闭。高效率区：ηmax×92%3、离心泵的性能的改变和换算1）液体物性对离心泵特性的影响(1)密度的影响离心泵的压头、流量、效率均与液体的密度无关。但泵的轴功率与输送液体的密度有关，随液体密度而改变。因此，当被输送液体与水不同时，原离心泵特性曲线中的N—Q曲线不再适用。(2)粘度的影响若被输送液体的粘度大于常温下清水的粘度，则泵体内部液体的能量损失增大，因此泵的压头、流量都要减小，效率下降，而轴功率增大，亦即泵的特性曲线发生改变。2）离心泵的转速对特性曲线的影响当转速n改变时，泵的流量Q、压头H及功率N也相应改变。对同一型号泵、同一种液体，在效率η不变的条件下，Q、H、N随n的变化关系如下式表示。适用条件：同一型号泵、同一种液体，在效率η不变的前提下。3）叶轮直径对离心泵特性的影响当离心泵的转速一定时，通过切割叶轮直径D，使其变小，也能改变特性曲线。(称为切割定律)32222222)(,)(,DDNNDDHHDDQQ适用条件：同一型号泵、同一液体、同一转速下直径D的切割量小于5-10％。比例定律32)(,)(,nnNNnnHHnnQQ例2-2一水泵的铭牌上标有：流量36.2m3/h，扬程12m，轴功率1.82kw，效率65%，配用电机容量2.8kw，转数1400rpm。今欲在以下情况下使用是否可以？如不可以，采用什么具体措施才能满足要求？（计算说明）（1）输送密度为1800kg/m3的溶液，流量为33m3/h，扬程为12m；（2）输送密度为800kg/m3的油品，流量为50m3/h，扬程为24m。2.1.4离心泵的气蚀现象与允许安装高度1离心泵的气蚀现象P98但当泵入口处压力减小到等于或小于输送温度下液体的饱和蒸气压时，液体将在泵的吸入口附近沸腾气化并产生大量的气泡；这些气泡随同液体从泵低压区流向高压区后，在高压作用下迅速凝结或破裂。因气泡的消失产生局部真空，此时周围的液体以极高的速度流向原气泡占据的空间，产生了极大的局部冲击力。在这种巨大冲击力的反复作用下，使叶轮或泵体受到破坏，这种现象称为离心泵的“气蚀现象”。汽蚀原因：当离心泵入口处压力p1≤饱和蒸汽压汽蚀危害：噪音、震动，流量、扬程明显下降汽蚀避免：最低点压强＞饱和蒸汽压造成泵入口处压力过低的原因：①离心泵的安装高度Hg高；②泵吸入管路局部阻力过大；③液体温度高。2离心泵的抗气蚀性能离心泵的抗气蚀性能可用气蚀余量和允许吸上真空度表示。1）离心泵的气蚀余量gpgugpNPSHv)2(211油泵用Δh----气蚀余量2）离心泵的允许吸上真空度gppHas1sH——称之为允许吸上真空度由泵的制造厂家在98.1KPa（10mH2O）大气压下，用20℃清水实验测得。若操作条件与上述实验条件不一致或输送其它液体时，可按P1002-22的公式换算。10,212fsgHguHH10,0)(fvHNPSHgpgpHg3离心泵的允许安装高度10,21102fHgugpgpHgP102例2-5从液面到泵入口列柏努利方程例2-3某台离心泵，从样本上查得允许气蚀余量为2.0m（水柱）。若泵吸入口距水面以上4m高度处，吸入管路的压头损失为1.5m（水柱），当地大气压为0.1MPa。试求：（1）用此泵将敞口蓄水池中40℃的水输送出去，泵的安装高度是否合适？（2）若水温为80℃，此时泵的安装高度是否合适？提高安装高度的方法：增大管径，减少管长，减少不必要的管件和阀门。2.1.5离心泵的工作点和流量调节1管路特性曲线与离心泵的工作点fHgugpzH222BQKHgpzK)(8452ddllgBe工作点：泵的特性曲线H-Qv与管路的特性曲线H-Q的交点。适宜工作点：工作点所对应效率在最高效率区。2离心泵的流量调节1)改变泵出口阀门开度实质：改变管路特性曲线，泵特性曲线不变。优点：迅速方便，连续调节。代价：阀门阻力损失↑。适用场合：流量调节幅度不大，需经常调节的地方。泵出口阀：两套(手动阀和自动阀)阀门开小：B↑曲线变陡Q↓H↑阀门开大：B↓曲线变平坦Q↑H↓2)改变泵的转速或切削叶轮的直径实质：改变泵特性曲线，管路特性不变。转速n增大，泵特性曲线上移，则：Q↑H↑转速n减小，泵特性曲线下移，则：Q↓H↓3离心泵的并联和串联(1)离心泵的并联并联后的总流量必低于单台泵流量的两倍，而且并联压头略高于单台泵的压头。(2)．串联操作泵型号相同，首尾相连。两台泵串联操作的总压头必低于单台泵压头的两倍。（3）离心泵组合方式的选择对于管路特性曲线较平坦的低阻力型管路，采用并联组合方式可获得较串联组合方式为高的流量和压头反之，对于管路特性曲线较陡的高阻力型管路，则宜采用串联组合方式。例2-4已知某台泵的特性方程式为，式中H为泵的压头（m），Q为流量(m3/min)。现该泵用于两敞口容器之间送液，已知单泵使用时流量为1m3/min。欲使流量增加50％，试问应该将相同两台泵并联还是串联使用？两容器的液面位差为10m。2220QH2.1.6离心泵的类型与选用1离心泵的类型按输送介质分：清水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵。按叶轮吸入方式：单吸泵、双吸泵。按叶轮数目：单级泵、多级泵。1)清水泵（IS型、D型、Sh型）输送物理、化学性质与清水类似的液体。IS50-32-250：IS——单级单吸悬臂式离心泵；50—泵吸入口直径（mm)；32—泵出口直径(mm)；250——叶轮直径（mm)；适用：t≤80℃、Q：4.5—360m3/h、H：8—98m。若要求的扬程较高而流量并不太大时，可采用多级泵。国产多级泵的系列代号为D，称为D型离心泵。叶轮级数一般为2～9级，最多为12级。全系列扬程范围为14～351m，流量范围为10.8～850m3/h。若泵送液体的流量较大而所需扬程并不高时，则可采用双吸泵。国产双吸泵的系列代号为Sh。D12—25×3型泵其中D为型号；12表示公称流量（公称流量是指最高效率时流量的整数值）；25表示该泵在效率最高时的单级扬程，m；3表示级数，即该泵在效率最高时的总扬程为75m。国产双吸泵的系列代号为Sh。全系列扬程范围为9～140m，流量范围为120～12500m3/h。100S90型泵100表示吸入口的直径，mm；S表示泵的类型为双吸式离心泵；90表示最高效率时的扬程，m。2）耐腐蚀泵：（输送酸、碱、盐等腐蚀性液体时）多采用机械密封装置F单级单吸式离心泵25FB-16A25代表吸入口的直径，mm；F代表耐腐蚀泵；B代表所用材料为1Cr18Ni9的不锈钢；16代表泵在最高效率时的扬程，m；A表示该泵装配的比标准直径小一号的叶轮。3）油泵特点：密封性能必须高，以免易燃液体泄漏Y型离心油泵如50Y60A50——入口直径,mm；Y——离心油泵；60——单级扬程,m；A——表示该泵装配的是比标准直径小一号的叶轮。2离心泵的选用（1）根据被输送液体的性质和操作条件确定泵的类型。①根据输送介质决定选用清水泵、油泵、耐腐蚀泵等；②根据现场安装条件决定选用卧式泵、立式泵等；③根据流量大小选用单吸泵、双吸泵等；④根据扬程大小选用单级泵、多级泵等。（2）根据管路系统对泵提出的流量和压头的要求，从泵的样本、产品目录中选出合适的型号。所选泵所能提供的流量和压头比管路要求值要稍大。（3）核算泵的轴功率若被输送液体的密度大于水的密度，则要核算泵的轴功率。2.2其他类型液体输送机械2.2.1往复泵（1）往复泵的主要部件主要部件：泵缸、活塞、吸入阀和排出阀。吸入阀和排出阀均为单向阀。（2）工作原理：活塞由曲柄连杆机构带动作往复运动，液体被吸入或排出。适用场合：小流量、高扬程。冲程（行程）：活塞在泵缸内两端间移动的距离。往复泵的低压是靠工作室的扩张来造成的，所以在启动之前，泵内无须充满液体。（3）往复泵的特性①往复泵的压头：往复泵的压头与泵的几何尺寸无关，理论上，往复泵压头可无限大